中國粉體網(wǎng)訊  磁電多鐵性材料是指同時(shí)具有磁有序與電極化有序的一類多功能材料,，利用兩種有序的共存和相互耦合,，可以實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)控電極化或用電場改變磁性質(zhì),。近十年來,，多鐵性材料由于豐富的物理內(nèi)含和廣泛的應(yīng)用前景,，一直是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。鈣鈦礦氧化物是研究鐵電與多鐵性最重要的材料體系之一,。在傳統(tǒng)鈣鈦礦鐵電體中,，電極化來源于離子位移導(dǎo)致空間反演對稱性的破缺。因此,，人們通常認(rèn)為在具有空間反演中心的高對稱性晶格如立方晶格中,，不會出現(xiàn)鐵電有序。事實(shí)上,，人們從未在立方鈣鈦礦體系中觀察到鐵電性,。然而，在多鐵性材料中,，電極化的產(chǎn)生不再局限于離子位移,，可以具有更加多樣化的起源，甚至與自旋結(jié)構(gòu)密切相關(guān),；同時(shí),，體系的總對稱性也由晶體對稱性和磁對稱性共同決定，并不要求各自破壞空間反演對稱,。一些特殊情況下,，高對稱性的立方晶格也可能表現(xiàn)出電極化和多鐵性,。但是，迄今為止,，人們尚未找到具有立方鈣鈦礦晶格多鐵性的真實(shí)案例,。近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Ex6組龍有文“百人計(jì)劃”特聘研究員與磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M06組副研究員柴一晟,、研究員孫陽等合作,，在立方晶格多鐵性的研究方面取得了突破性進(jìn)展，首次發(fā)現(xiàn)一種立方晶格鈣鈦礦多鐵性材料,。

　　化學(xué)組成為AA'3B4O12的A位有序鈣鈦礦為實(shí)現(xiàn)立方晶格多鐵性提供了可能,。在這個(gè)特殊有序的材料體系中，A'位與B位同時(shí)容納過渡金屬離子,，可產(chǎn)生諸如A'-A',，A'-B，B-B等多種磁電相互作用,。因而,，通過選擇合適的A'位與B位過渡金屬離子,，一方面可以保持材料的立方晶體結(jié)構(gòu),，另一方面亦可形成特定的自旋有序結(jié)構(gòu)，并誘導(dǎo)出多鐵性,。A位有序鈣鈦礦往往只在高溫高壓的極端條件下才能獲得,。龍有文長期從事新型A位有序鈣鈦礦的高壓制備，近年來發(fā)現(xiàn)了多種高壓合成新體系的多種新穎物理性質(zhì),。例如,，首次在高壓下獲得了具有反常負(fù)熱膨脹的磁電多功能材料體系LaCu3Fe4O12 【Long* et al, Nature, 458, 60 (2009)，入選當(dāng)期Nature封內(nèi)推薦論文,；Mater. Chem. 24, 2235 (2012)】,；反常電子態(tài)體系LaMn3Ti4O12 【Long* et al, JACS, 131, 16244 (2009)】等等。最近,，利用研究團(tuán)隊(duì)集成的綜合性能優(yōu)越的高壓高溫制備系統(tǒng),，龍有文指導(dǎo)研究生王瀟,、周龍等人在高壓高溫條件下獲得了A位有序鈣鈦礦LaMn3Cr4O12,。結(jié)構(gòu)分析表明，該體系在實(shí)驗(yàn)測試的溫區(qū)內(nèi)（2-300 K）始終保持空間群為Im-3的立方晶體結(jié)構(gòu),。磁化率測試顯示這個(gè)材料在150 K與50 K存在兩個(gè)反鐵磁相變,，中子衍射進(jìn)一步確定150 K（TCr）的反鐵磁相變來自B位Cr3+-亞晶格的自旋有序，而50 K（TMn）的反鐵磁相變則來自于A'位Mn3+-亞晶格的自旋有序,。中子精修實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，這兩套磁性亞晶格均具有G-型反鐵磁自旋結(jié)構(gòu),，自旋取向沿晶體的[111]方向。在這個(gè)體系中,，雖然單獨(dú)的Cr-亞晶格與Mn-亞晶格具有非極化的磁空間群,，但當(dāng)把這兩套磁性亞晶格當(dāng)做一個(gè)整體考慮時(shí)，可獲得一個(gè)具有極性的磁空間群,，從而滿足產(chǎn)生電極化的對稱性要求,。利用自主研制的多功能磁電耦合效應(yīng)測量系統(tǒng)，柴一晟與孫陽等詳細(xì)測試了LaMn3Cr4O12的介電常數(shù)與熱釋電效應(yīng),，發(fā)現(xiàn)在磁有序溫度TMn處,，出現(xiàn)介電常數(shù)、熱釋電與電極化的急劇改變,；當(dāng)外加極化電場方向反轉(zhuǎn)時(shí),，熱釋電與電極化的符號也發(fā)生反轉(zhuǎn)，表明伴隨磁有序的出現(xiàn)產(chǎn)生了本征的電極化,。并且,，外加磁場對電極化與介電常數(shù)有顯著的影響，增大磁場可大大提高熱釋電與電極化的強(qiáng)度,。同時(shí),，電極化的變化依賴于外加磁場與電場的相對取向，表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性磁電耦合效應(yīng),。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明,，Cr-與Mn-亞晶格的自旋有序?qū)е铝吮菊麟姌O化的出現(xiàn)。因此,，LaMn3Cr4O12成為第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的具有立方鈣鈦礦晶格的多鐵性材料體系,。

　　這項(xiàng)研究不僅在立方晶格多鐵性材料的制備方面取得了重要突破，而且?guī)�來了全新的物理研究�?nèi)容,。密度泛函理論計(jì)算顯示磁性離子的自旋-軌道耦合效應(yīng)對電極化的出現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用,，但是，現(xiàn)有的幾種磁有序產(chǎn)生多鐵性的理論模型都不足以解釋這種特殊多鐵性的微觀起源,，因此需要發(fā)展全新的多鐵性理論模型,。此外，由于沒有離子位移的貢獻(xiàn),，該體系的電極化可能完全由電子云的崎變產(chǎn)生,，LaMn3Cr4O12也成了研究新型電子型鐵電體的典型對象。對立方鈣鈦礦的多鐵性起源和磁電耦合機(jī)制的進(jìn)一步深入探討,，可能對多鐵性新材料的探索與新物理機(jī)制的研究產(chǎn)生重要影響,。

　　相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的Phys. Rev. Lett. 115, 087601 (2015)，并被選為PRL Editors’ Suggestion,；同時(shí),，也被美國物理學(xué)會網(wǎng)站新聞評論欄目Physics選為研究亮點(diǎn)（Highlight）,，以《出人意料的多鐵性》（Multiferroic Surprise）為題進(jìn)行介紹。該工作的中子衍射實(shí)驗(yàn)與美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室曹慧波,、Clarina-dela Cruz合作完成,；理論計(jì)算與東南大學(xué)教授董帥合作完成；日本東京工業(yè)大學(xué)教授M. Azuma研究組與京都大學(xué)教授Y. Shimakawa研究組合作制備了部分中子衍射樣品,。該工作獲得了科技部青年“973”項(xiàng)目,、中國科學(xué)院百人計(jì)劃項(xiàng)目、國家青年****項(xiàng)目,、國家自然科學(xué)基金委,、中國科學(xué)院先導(dǎo)B項(xiàng)目的支持。

圖1：（a）A位有序立方鈣鈦礦LaMn3Cr4O12的晶體結(jié)構(gòu)示意圖,；（b）不同溫度下的中子粉末衍射譜,；（c，d）磁衍射峰（111）與（100）衍射強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系,；（e）B位Cr-亞晶格自旋結(jié)構(gòu)示意圖,；（f）A'位Mn-亞晶格自旋結(jié)構(gòu)示意圖；（g）體系總的自旋結(jié)構(gòu)示意圖,，自旋取向沿[111]方向,。

圖2：（a）A位有序立方鈣鈦礦LaMn3Cr4O12的磁化率（χ）與介電常數(shù)（ε）隨溫度的變化關(guān)系；（b）熱釋電電流（Ip）隨溫度的變化關(guān)系,；（c）電極化強(qiáng)度（P）隨溫度的變化關(guān)系,。

圖3：（a）A位有序立方鈣鈦礦LaMn3Cr4O12不同磁場下熱釋電電流隨溫度的變化關(guān)系；（b）不同磁場下凈電極化強(qiáng)度[ΔP = P(T) - P(50 K)]隨溫度的變化關(guān)系,；（c,、d）不同磁場下H∥E與H⊥E時(shí)介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。